光纤照明的原理及组成毕业论文(DOC 33页).doc

光纤照明的原理及组成毕业论文目 录第1章 绪论…………………………………………………………………………11.1 概述…………………………………………………………………………1第2章 光纤简介及原理……………………………………………………………22.1 光纤的结构…………………………………………………………………2 2.2 光纤的类型…………………………………………………………………22.2.1 按光纤折射率分类……………………………………………………22.2.2 按传输模式分类………………………………………………………32.2.3 按材料成分类…………………………………………………………32.3 光纤导光原理………………………………………………………………42.3.1 光在光纤中的全反射…………………………………………………42.3.2 光线在光纤中的传播…………………………………………………6第３章 光纤照明原理……………………………………………………………83.1 光纤照明的原理……………………………………………………………83.2 光纤照明的特点……………………………………………………………93.3 光纤照明的系统结构………………………………………………………93.4 光纤照明的应用…………………………………………………………10第4章 光纤照明光源设计………………………………………………………124.1光纤灯………………………………………………………………………124.2光纤照明系统的组成及特点………………………………………………134.3光纤照明系统的结构………………………………………………………164.4光源耦合……………………………………………………………………174.4.1光源类型……………………………………………………………174.4.2耦合效率……………………………………………………………19结论…………………………………………………………………………………21参考文献……………………………………………………………………………21致谢…………………………………………………………………………………22第1章 绪论1.1概述自1970年低损耗玻璃光学纤维发明以来，随着光纤通讯的发展，质优价廉的玻璃光学纤维被广泛应用于光纤照明，70年代后期美国研制成功小直径的塑料光学纤维，被日本引用并于1988年研制成第一种大芯塑料光学纤维。

从80年代开始光纤照明就进入实用阶段，发展成为一种新型照明系统，广泛应用于商品展示、广告标志、交通信号，娱乐场所，建筑装饰照明在光纤末端可以装上个中不同的反射器、透镜、滤色片或类似于光阑和快门类的元件，可使光线中无红外和紫外线，适用于博物馆及画廊的文物艺术收藏品照明由于等和光源远离照明区域，故还适用于潮湿环境、水下和易燃易爆等危险场合的照明本文主要介绍了光纤照明所用的主要光源，光纤的种类、特性、以及光纤吊灯、光纤瀑布照明的设计方法第2章 光纤简介2.1 光纤结构光纤，又称介质圆波导，是由一种高度透明的石英或其它光学材料经复杂的工艺拉制而成的光波导材料，光纤的一般结构如图2.1所示纤芯和包层为光纤的主体，对光波的传播起着决定性作用涂敷层和护套则主要用于隔离杂光，提高光纤强度，保护光纤在某些特殊的应用场合不加涂敷层和护套的光纤称为裸体光纤，简称裸纤图2.1 光纤结构示意图纤芯直径一般为5～75μm,材料主体是二氧化硅(SiO2)，其中掺杂极微量其他材料，例如二氧化锗(GeO2)、五氧化二磷(P2O5)等以提高纤芯的折射率包层为紧贴纤芯的材料层，其折射率略小于纤芯材料的折射率包层总直径一般为100～200μm。

包层材料一般也是二氧化硅，有时也掺杂微量三氧化二硼(B2O3)或四氧化硅(Si2O4)，以降低包层的折射率涂敷层的材料一般为硅酮、丙烯酸盐，外径约为250μm，用于隔离杂光、增强光纤的柔韧性、机械强度和耐老化特性护套的材料一般为尼龙或是其他的有机材料，用于增加光纤的机械强度，保护光纤2.2 光纤类型光纤类型多样，其分类方法也很多，常见的有以下三种方法2.2.1 按光纤折射率分布分类⑴ 阶跃折射率(Step Index, SI)光纤，纤芯和包层折射率都是均匀的，纤芯折射率高于包层折射率，在两者分界处折射率突变，如图2.2(a)⑵ 渐变折射率(Gradient Index, GI)光纤，纤芯折射率是渐变的，中心折射率最高，沿径向逐渐减小，包层折射率是均匀的，如图2.2(b)目前GI光纤纤芯折射率大多呈抛物线分布⑶ W型光纤，纤芯折射率可以是均匀的，也可以是渐变的，主要区别是包层折射率又出现阶跃变化，形成双包层或多包层结构其折射率分布曲线似字母“W”而得名，它的特点是可以进一步减小色散，增大通信容量a) SI光纤 (b) GI光纤图2.2 光纤的横截面及折射率分布2.2.2 按传输模式分类根据光纤中的传输模式，可将光纤分为多模光纤和单模光纤。

多模光纤可传播数百到上千个模式，根据折射率在纤芯和包层上的径向分布情况，又可细分为阶跃多模光纤和渐变多模光纤单模光纤对给定的工作波长只能传输一个模式国际电报咨询委员会(CCITT)建议单模光纤与多模光纤的外径(包层直径)均为125μm，多模光纤芯径为50μm，单模光纤芯径为8～10μm2.2.3 按材料成分分类⑴ 石英光纤：它主要由高纯度的石英制成，传输损耗很低例如，工作波长在1550nm和1310nm的单模光纤，传输损耗只有0.2dB/km和0.35dB/km这种光纤主要用于光纤通信，也是目前用量最大的光纤⑵ 多组分玻璃光纤：主要由特殊的光学玻璃制成它的传输损耗较大，白光下平均损耗在0.7dB/km以上这种光纤主要用于传光束、传像束、扭像器及纤维面板等⑶ 塑料光纤：它是由高分子聚合物制成其特点是价格低廉，但损耗大一般用于段距离(数米)的信息传输，或用作传光、传像⑷ 液芯光纤：它是把石英管拉制成毛细管的尺寸，然后用四氯乙烯或其他液体加压填充而制成它是20世纪70年代研制的一种光纤，目前在一些特殊用途中仍有采用此外，在各种特殊用途中还有许多特殊光纤，例如军事上用于制导的高强度光纤，用于激光手术或激光治疗中能传输大功率激光束的传能光纤，用于光纤放大器、光纤激光器的掺稀土元素的有源光纤，以及近几年发展起来的晶体光纤。

2.3 光纤的导光原理2.3.1 光在光纤中的全反射光传导的一个基本原理是：光在不同光学介质中传导时(速度、方向)会发生变化光在真空中的传导速度为3×105km/s，而在其他介质中，传导速度要降低物理上把介质中光速减小的程度用介质的折射率加以表述，即： (2-1)式中，n为介质的折射率，c为真空中的光速，v为介质中的光速当光线传导从一种介质(入射介质)进入另一种折射率不同的介质(出射介质)时，不仅速度会变化，而且方向也会改变，即出现折射(弯曲)，光线总是弯向折射率较大的介质在中学物理中就有描述这一物理现象的折射定律(Snell定律)： (2-2)式中，和分别为入射介质和出射介质的折射率， 和分别为入射角和折射角当光从折射率为的介质入射到折射率为的介质的分解面上时，将产生反射和折射现象，反射角，由于，因此折射角大于入射角当入射角时，，此时不再有光线进入介质，所有的光能量将全部被反射，这种现象称为光的全反射，称为全反射的临界角，如图2.3所示图2.3 光的反射与折射事实上，由于光的波动性，即使是在全反射的情况下，光波也会进入介质n2表面一定的深度，称为穿透深度，其大小取决于两种介质的折射率、入射角以及入射光的偏振态和频率。

为了在纤芯实现全反射，只需要在光纤入口端，由光源发出的入射光线与光纤轴线的夹角β满足以下条件： (2-3)式中，为空气中的折射率满足以上条件的入射光也满足的全反射条件，而当入口端入射角不满足上述条件时，就会在界面处外逸，如图2.4所示图2.4 光纤端口的接收角2.3.2 光线在光纤中的传播根据射线光学理论研究光纤中的光射线，可以直观地了解光在光纤中的传播机理设一平行光束射入光纤中，如图2-5所示在该平行光束中取一根光线，入射点位于光纤纤芯入射端面的边界上，其中纤芯的反射光线为，相继的反射光线为，光线就在纤芯中通过无数次反射，最后从出射端射出设光纤的纤轴为，光线入射光线在芯包界面上的折射角为，在芯包界面上过点做母线可见，平面垂直于光纤的端面，为折射光线在端面上的投影，夹角为折射角在光纤端面上的投影a) 图2.5 光线在光纤中的传播路径当时，满足全反射条件，光线能在纤芯不断反射、向前传播，直到从光纤出射端射出光纤每次发射后的对应的及其投影保持不变⑴ 子午光线通过纤芯的轴线可以做很多个平面，这些平面称为子午面子午面上与轴线相交的光射线称为子午光线，简称子午线如图2-6所示，子午线在纤芯与包层的交界面上来回全反射，对均匀光纤，子午线形成锯齿状波形，在非均匀光纤中，光线的轨迹为一周期性曲线，无论是在均匀光纤还是在非均匀光纤中，子午线在光纤端面上的投影为一直线。

(a) 均匀光纤 (b)非均匀光纤图2.6 子午光线的传播路径⑵ 斜光线斜光线是指在光纤传播路径与入射光线及纤轴不共面的光线斜光线在光纤传播情况比较复杂，它在均匀光纤的传播路径为绕纤轴的螺旋状空间折线，在非均匀光纤的传播路径为绕纤轴的空间曲线第3章 光纤照明原理3.1 光纤照明的原理光纤照明系统是由光源、反光镜、滤色片及光纤组成，如图一所示当光源通过反光镜后，形成一束近似平行光由于滤色片的作用，又将该光束变成彩色光当光束进入光纤后，彩色光就随着光纤的路径送到预定的地方 由于光在途中的损耗，所以光源一般都很强常用光源为150～250W左右而且为了获得近似平行光束，发光点应尽量小，近似于点光源反光镜是能否获得近似平行光束的重要因素所以一般采用非球面反光镜 滤色片是改变光束颜色的零件根据需要，用调换不同颜色的滤光片就获得了相应的彩色光源 光纤是光纤照明系统中的主体，光纤的作用是将光传送或发射到预定地方光纤分为端发光和体发光两种前者就是光束传到端点后，通过尾灯进行照明（末端发光），而后者本身就是发光体，形成一根柔性光柱（通体发光）对光纤材料而论，必须是在可见光围，对光能量应损耗最小，以确保照明质量。

但实际上不可能没有损耗，所以光纤传送距离约30米左右为最佳光纤有单股、多股和网状三种对单股光纤来说，它的直径为Ф6～Ф２０mm.同时又可分为体发光和端发光两种，而对多股光纤来说,均为端发光.多股光纤的直径一般为Ф0.5～Ф3mm,而股数常见为几根至上百根网状光纤均为细直径的体发光光纤组成，可以组成柔性光带从理论上讲,光线是直线传播的，但在实际应用中,人们都希望改变光线的传播方向经过科学家数百年不懈的努力,利用透镜和反光镜等光学元件来无限次的改变传播方向，而光纤照明的出现，正是建立在有限次的改变光线传播方向,实现了光的柔性传播正如圆弧经无数次的分割后成直线一样,光纤照明正是以无限次反射后,光线就随光纤的路径传送,实现了柔性传播，但是光纤照明的柔性传播,并没有改变光线直线传播的经典理论。